Слуховые ощущения являются отражением воздействующих на слуховой рецептор звуковых волн, которые порождаются звучащим телом и представляют собой переменное сгущение и разрежение воздуха.
Звуковые волны обладают, во-первых, различной амплитудой колебания. Под амплитудой колебания разумеют наибольшее отклонение звучащего тела от состояния равновесия или покоя. Чем больше амплитуда колебания, тем сильнее звук, и, наоборот, чем меньше амплитуда, тем звук слабее. Сила звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды. Эта сила зависит также от расстояния уха от источника звука и от той среды, в которой распространяется звук. Для измерения силы звука существуют специальные приборы, дающие возможность измерять ее в единицах энергии.
Звуковые волны различаются, во-вторых, по частоте или продолжительности колебаний. Длина волны обратно пропорциональна числу колебаний и прямо пропорциональна периоду колебаний источника звука. Волны различного числа колебаний в 1 с или в период колебания дают звуки, различные по высоте: волны с колебаниями большой частоты (и малого периода колебаний) отражаются в виде высоких звуков, волны с колебаниями малой частоты (и большого периода колебаний) отражаются в виде низких звуков.
Звуковые волны, вызываемые звучащим телом, источником звука, различаются, в-третьих, формой колебаний, т.е. формой той периодической кривой, в которой абсциссы пропорциональны времени, а ординаты – удалениям колеблющейся точки от своего положения равновесия. Форма колебаний звуковой волны отражается в тембре звука – том специфическом качестве, которым звуки той же высоты и силы на различных инструментах (рояль, скрипка, флейта и т.д.) отличаются друг от друга.
Зависимость между формой колебания звуковой волны и тембром не однозначна. Если два тона имеют различный тембр, то можно определенно сказать, что они вызываются колебаниями различной формы, но не наоборот. Тоны могут иметь совершенно одинаковый тембр, и, однако, форма колебаний их при этом может быть различна. Другими словами, формы колебаний разнообразнее и многочисленнее, чем различаемые ухом тоны.
Слуховые ощущения могут вызываться как периодическими колебательными процессами, так и непериодическими с нерегулярно изменяющейся неустойчивой частотой и амплитудой колебаний. Первые отражаются в музыкальных звуках, вторые – в шумах.
Кривая музыкального звука может быть разложена чисто математическим путем по методу Фурье на отдельные, наложенные друг на друга синусоиды. Любая звуковая кривая, будучи сложным колебанием, может быть представлена как результат большего или меньшего числа синусоидальных колебаний, имеющих число колебаний в секунду, возрастающее, как ряд целых чисел 1, 2, 3, 4. Наиболее низкий тон, соответствующий 1, называется основным. Он имеет тот же период, как и сложный звук. Остальные простые тоны, имеющие вдвое, втрое, вчетверо и т.д. более частые колебания, называются верхними гармоническими, или частичными (парциальными), или обертонами.
Все слышимые звуки разделяются на шумы и музыкальные звуки. Первые отражают непериодические колебания неустойчивой частоты и амплитуды, вторые – периодические колебания. Между музыкальными звуками и шумами нет, однако, резкой грани. Акустическая составная часть шума часто носит ярко выраженный музыкальный характер и содержит разнообразные тоны, которые легко улавливаются опытным ухом. Свист ветра, визг пилы, различные шипящие шумы с включенными в них высокими тонами резко отличаются от шумов гула и журчания, характеризующихся низкими тонами. Отсутствием резкой границы между тонами и шумами объясняется то, что многие композиторы прекрасно умеют изображать музыкальными звуками различные шумы (журчание ручья, жужжание прялки в романсах Ф.Шуберта, шум моря, лязг оружия у Н.А.Римского-Корсакова и т.д.).
В звуках человеческой речи также представлены как шумы, так и музыкальные звуки, как источник звука.
Основными свойствами всякого звука являются:
1) его громкость, 2) высота и 3) тембр.
1. Громкость.
Громкость зависит от силы, или амплитуды, колебаний звуковой волны. Сила звука и громкость – понятия неравнозначные. Сила звука объективно характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается он слушателем или нет; громкость – качество воспринимаемого звука. Если расположить громкости одного и того же звука в виде ряда, возрастающего в том же направлении, что и сила звука, и руководствоваться воспринимаемыми ухом ступенями прироста громкости (при непрерывном увеличении силы звука), то окажется, что громкость вырастает значительно медленнее силы звука.
Согласно закону Вебера-Фехнера, громкость некоторого звука будет пропорциональна логарифму отношения его силы J к силе того же самого звука на пороге слышимости J0:
В этом равенстве К – коэффициент пропорциональности, a L выражает величину, характеризующую громкость звука, сила которого равна J; ее обычно называют уровнем звука.
Если коэффициент пропорциональности, являющийся величиной произвольной, принять равным единице, то уровень звука выразится в единицах, получивших название белов:
Практически оказалось более удобным пользоваться единицами, в 10 раз меньшими; эти единицы получили название децибелов. Коэффициент К при этом, очевидно, равняется 10. Таким образом:
Минимальный прирост громкости, воспринимаемый человеческим ухом, равен примерно 1дБ. <…>
Известно, что закон Вебера – Фехнера теряет силу при слабых раздражениях; поэтому уровень громкости очень слабых звуков не дает количественного представления об их субъективной громкости.
Согласно новейшим работам, при определении разностного порога следует учитывать изменение высоты звуков. Для низких тонов громкость растет значительно быстрее, чем для высоких.
Количественное измерение громкости, непосредственно ощущаемой нашим слухом, не столь точно, как оценка на слух высоты тонов. Однако в музыке давно применяются динамические обозначения, служащие для практического определения величины громкости. Таковы обозначения: ррр (пиано-пианиссимо), рр (пианиссимо), р (пиано), тр (меццо-пиано), mf (меццо-форте), ff (фортиссимо), fff (форте-фортиссимо). Последовательные обозначения этой шкалы означают примерно удвоение громкости.
Человек может без всякой предварительной тренировки оценивать изменения громкости в некоторое (небольшое) число раз (в 2, 3, 4 раза). При этом удвоение громкости получается примерно как раз при прибавке около 20 дБ. Дальнейшая оценка увеличения громкости (более чем в 4 раза) уже не удается. Исследования, посвященные этому вопросу, дали результаты, резко расходящиеся с законом Вебера-Фехнера.73 Они показали также наличие значительных индивидуальных отличий при оценке удвоения громкостей.
При воздействии звука в слуховом аппарате происходят процессы адаптации, изменяющие его чувствительность. Однако в области слуховых ощущений адаптация очень невелика и обнаруживает значительные индивидуальные отклонения. Особенно сильно сказывается действие адаптации при внезапном изменении силы звука. Это так называемый эффект контраста.
Измерение громкости обычно производится в децибелах. С.Н.Ржевкин указывает, однако, что шкала децибелов не является удовлетворительной для количественной оценки натуральной громкости. Например, шум в поезде метро на полном ходу оценивается в 95 дБ, а тикание часов на расстоянии 0,5 м – в 30 дБ. Таким образом, по шкале децибелов отношение равно всего 3, в то время как для непосредственного ощущения первый шум почти неизмеримо больше второго. <… >
2. Высота.
Высота звука отражает частоту колебаний звуковой волны. Далеко не все звуки воспринимаются нашим ухом. Как ультразвуки (звуки с большой частотой), так и инфразвуки (звуки с очень медленными колебаниями) остаются вне пределов нашей слышимости. Нижняя граница слуха у человека составляет примерно 15-19 колебаний; верхняя – приблизительно 20000, причем у отдельных людей чувствительность уха может давать различные индивидуальные отклонения. Обе границы изменчивы, верхняя в особенности в зависимости от возраста; у пожилых людей чувствительность к высоким тонам постепенно падает. У животных верхняя граница слуха значительно выше, чем у человека; у собаки она доходит до 38 000 Гц (колебаний в секунду).
При воздействии частот выше 15 000 Гц ухо становится гораздо менее чувствительным; теряется способность различать высоту тона. При 19 000 Гц предельно слышимыми оказываются лишь звуки, в миллион раз более интенсивные, чем при 14 000 Гц. При повышении интенсивности высоких звуков возникает ощущение неприятного щекотания в ухе (осязание звука), а затем чувство боли. Область слухового восприятия охватывает свыше 10 октав и ограничена сверху порогом осязания, снизу порогом слышимости. Внутри этой области лежат все воспринимаемые ухом звуки различной силы и высоты. Наименьшая сила требуется для восприятия звуков от 1000 до 3000 Гц. В этой области ухо является наиболее чувствительным. На повышенную чувствительность уха в области 2000-3000 Гц указывал еще Г.Л.Ф.Гельмгольц; он объяснял это обстоятельство собственным тоном барабанной перепонки.
Величина порога различения, или разностного порога, высоты (по данным Т.Пэра, В.Штрауба, Б.М.Теплова) в средних октавах у большинства людей находится в пределах от 6 до 40 центов (цент – сотая доля темперированного полутона). У высокоодаренных в музыкальном отношении детей, обследованных Л.В.Благонадежиной, пороги оказались равны 6-21 центам.
Существует собственно два порога различения высоты: 1) порог простого различения и 2) порог направления (В.Прейер и др.). Иногда при малых различениях высоты испытуемый замечает различие в высоте, не будучи, однако, в состоянии сказать, какой из двух звуков выше.
Высота звука, как она обычно воспринимается в шумах и звуках речи, включает два различных компонента – собственно высоту и тембровую характеристику.
В звуках сложного состава изменение высоты связано с изменением некоторых тембровых свойств. Объясняется это тем, что при увеличении частоты колебаний неизбежно уменьшается число частотных тонов, доступных нашему слуховому аппарату. В шумовом и речевом слышании эти два компонента высоты не дифференцируются. Вычленение высоты в собственном смысле слова из ее тембровых компонентов является характерным признаком музыкального слышания (Б.М.Теплов). Оно совершается в процессе исторического развития музыки как определенного вида человеческой деятельности.
Один вариант двухкомпонентной теории высоты развил Ф.Брентано, и вслед за ним, исходя из принципа октавного сходства звуков, Г.Ревеш различает качество и светлость звука. Под качеством звука он понимает такую особенность высоты звука, благодаря которой мы различаем звуки в пределах октавы. Под светлостью – такую особенность его высоты, которая отличает звуки одной октавы от звуков другой. Так, все “до” качественно тожественны, но по светлости отличны. Еще К.Штумпф подверг эту концепцию резкой критике. Конечно, октавное сходство существует (так же как и сходство квинтовое), но оно не определяет никакого компонента высоты.
М.Мак-Майер, К.Штумпф и особенно В.Келер дали другую трактовку двухкомпонентной теории высоты, различив в ней собственно высоту и тембровую характеристику высоты (светлость). Однако эти исследователи (так же как и Е.А.Мальцева) проводили различение двух компонентов высоты в чисто феноменальном плане: с одной и той же объективной характеристикой звуковой волны они соотносили два различных и отчасти даже разнородных свойства ощущения. Б.М.Теплов указал на объективную основу этого явления, заключающуюся в том, что с увеличением высоты изменяется число доступных уху частичных тонов. Поэтому различие тембровой окраски звуков различной высоты имеется в действительности лишь в сложных звуках; в простых тонах она представляет собой результат переноса.74
В силу этой взаимосвязи собственно высоты и тембровой окраски не только различные инструменты отличаются по своему тембру друг от друга, но и различные по высоте звуки на том же самом инструменте отличаются друг от друга не только высотой, но и тембровой окраской. В этом сказывается взаимосвязь различных сторон звука – его звуковысотных и тембровых свойств.
3. Тембр.
Под тембром понимают особый характер или окраску звука, зависящую от взаимоотношения его частичных тонов. Тембр отражает акустический состав сложного звука, т.е. число, порядок и относительную силу входящих в его состав частичных тонов (гармонических и негармонических).
По Гельмгольцу, тембр зависит от того, какие верхние гармонические тоны примешаны к основному, и от относительной силы каждого из них.
В наших слуховых ощущениях тембр сложного звука играет очень значительную роль. Частичные тоны (обертоны), или, по терминологии Н.А.Гарбузова, верхние натуральные призвуки, имеют большое значение также и в восприятии гармонии.
Тембр, как и гармония, отражает звук, который в акустическом своем составе является созвучием. Поскольку это созвучие воспринимается как единый звук без выделения в нем слухом акустически в него входящих частичных тонов, звуковой состав отражается в виде тембра звука. Поскольку же слух выделяет частичные тоны сложного звука, возникает восприятие гармонии. Реально в восприятии музыки имеет обычно место и одно и другое. Борьба и единство этих двух взаимопротиворечивых тенденций – анализировать звук как созвучие и воспринимать созвучие как единый звук специфической тембровой окраски – составляет существенную сторону всякого реального восприятия музыки.
Тембровая окраска приобретает особенное богатство благодаря так называемому вибрато (К.Сишор), придающему звуку человеческого голоса, скрипки и т.д. большую эмоциональную выразительность. Вибрато отражает периодические изменения (пульсации) высоты и интенсивности звука.
Вибрато играет значительную роль в музыке и пении; оно представлено и в речи, особенно эмоциональной. Поскольку вибрато имеется у всех народов и у детей, особенно музыкальных, встречаясь у них независимо от обучения и упражнения, оно, очевидно, является физиологически обусловленным проявлением эмоционального напряжения, способом выражения чувства.
Вибрато в человеческом голосе как выражение эмоциональности существует, вероятно, с тех пор, как существует звуковая речь и люди пользуются звуками для выражения своих чувств.75 Вокальное вибрато возникает в результате периодичности сокращения парных мышц, наблюдающейся при нервной разрядке в деятельности различных мышц, не только вокальных. Напряжение и разрядка, выражающиеся в форме пульсирования, однородны с дрожанием, вызываемым эмоциональным напряжением.
Существует хорошее и дурное вибрато. Дурное вибрато такое, в котором имеется излишек напряжения или нарушение периодичности. Хорошее вибрато является периодической пульсацией, включающей определенную высоту, интенсивность и тембр и порождающей впечатление приятной гибкости, полноты, мягкости и богатства тона.
То обстоятельство, что вибрато, будучи обусловлено изменениями высоты и интенсивности звука, воспринимается как тембровая окраска, снова обнаруживает внутреннюю взаимосвязь различных сторон звука. При анализе высоты звука уже обнаружилось, что высота в ее традиционном понимании, т.е. та сторона звукового ощущения, которая определяется частотой колебаний, включает не только высоту, в собственном смысле слова, и тембровый компонент светлоты. Теперь обнаруживается, что в свою очередь в тембровой окраске – в вибрато – отражается высота, а также интенсивность звука. Различные музыкальные инструменты отличаются друг от друга тембровой характеристикой.
